本發(fā)明涉及無煤柱開采，具體涉及一種沿空留巷巷旁充填體寬度及強度確定方法。

背景技術(shù)：

1、沿空留巷作為一種常見的無煤柱開采技術(shù)，是通過巷內(nèi)支護和巷旁充填對上一區(qū)段工作面巷道進行保留。該技術(shù)提高了煤炭回收率，有效降低了掘進率，緩解了采掘接續(xù)困難實現(xiàn)工作面y型通風(fēng)，沿空留巷技術(shù)是煤炭綠色安全高效開采的重要發(fā)展方向之一。其中巷旁充填體的穩(wěn)定性是決定沿空留巷技術(shù)能否取得成功的關(guān)鍵，巷旁充填體強度應(yīng)與煤體、頂?shù)装辶W(xué)性能相適應(yīng)，其中巷旁充填體寬度直接影響支護阻力。

2、在強烈的滯后采動應(yīng)力調(diào)整過程中，巷旁充填體強度不足，變形破壞風(fēng)險性高，進一步導(dǎo)致頂板側(cè)向回轉(zhuǎn)下沉程度增加，沿空留巷支護結(jié)構(gòu)體系遭受破壞。當(dāng)巷旁充填體寬度不足，導(dǎo)致巷旁充填體的支護強度較小，巷內(nèi)頂板完整性可能遭到嚴重損傷，頂板離層顯著、下沉量較大，頂板承載結(jié)構(gòu)承載性能減弱。當(dāng)巷旁充填體寬度過大，對應(yīng)的巷旁充填體支護強度過大，巷道上覆巖層傳遞荷載轉(zhuǎn)移到沿空留巷底板，容易產(chǎn)生底鼓且留巷成本也會增加。在中國授權(quán)專利公告號cn117251919b中已經(jīng)給出了沿空留巷頂板破斷位置判定方法，但對巷旁充填體寬度及強度與頂板結(jié)構(gòu)穩(wěn)定關(guān)系的研究還有所不足。

3、針對目前沿空留巷巷旁充填體寬度及強度難以確定，巷旁充填體寬度、強度與留巷頂板力學(xué)性能不適應(yīng)，在受到采動影響下容易導(dǎo)致巷旁充填體的損傷和失穩(wěn)。因此，開發(fā)一種沿空留巷巷旁充填體寬度及強度確定方法很有必要。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提供一種沿空留巷巷旁充填體寬度及強度確定方法，解決由于不同礦區(qū)的地質(zhì)條件和煤層力學(xué)特性差異大，采用工程類比法難以全面適應(yīng)所有具體情況，容易出現(xiàn)設(shè)計參數(shù)不準(zhǔn)確的問題；以及當(dāng)巷旁充填體寬度過大，過度支護，留巷成本增加；巷旁充填體寬度過小，強度不足，留巷頂板容易失穩(wěn)、破斷的技術(shù)問題。

2、本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種沿空留巷巷旁充填體寬度及強度確定方法，包括如下步驟：

3、s1、構(gòu)建沿空留巷關(guān)鍵塊結(jié)構(gòu)：將工作面端頭弧形三角塊破斷后形成的塊體劃分為關(guān)鍵塊a、關(guān)鍵塊b和關(guān)鍵塊c，關(guān)鍵塊b在直接頂、冒落矸石、巷旁充填體和實體煤幫的支撐作用、巷內(nèi)及充填區(qū)域錨桿(索)主動支護作用下與關(guān)鍵塊a、關(guān)鍵塊c形成沿空留巷關(guān)鍵塊結(jié)構(gòu)；

4、s2、建立關(guān)鍵塊b穩(wěn)定性分析力學(xué)模型：基于s1中構(gòu)建的關(guān)鍵塊結(jié)構(gòu)，簡化關(guān)鍵塊b、冒落矸石、巷旁充填體、實體煤幫和直接頂，生成關(guān)鍵塊b穩(wěn)定性分析力學(xué)模型圖，并進行如下步驟：

5、s2.1、計算關(guān)鍵塊b的幾何參數(shù)，包括工作面推進方向破斷長度l和側(cè)向破斷長度l2，在關(guān)鍵塊b穩(wěn)定性分析力學(xué)模型上利用煤礦工作面回風(fēng)順槽相關(guān)數(shù)據(jù)，求解l和l2；

6、s2.2、計算頂板斷裂位置及實體煤幫的支撐力σy和煤體彈塑性交界面極限平衡區(qū)寬度x0：在關(guān)鍵塊b穩(wěn)定性分析力學(xué)模型上利用煤礦工作面回風(fēng)順槽相關(guān)數(shù)據(jù)，求解σy和x0；

7、s3、建立直接頂穩(wěn)定性力學(xué)分析模型求解直接頂支撐力：忽略直接頂破斷角的影響，設(shè)定直接頂右側(cè)為固支，且其左邊界為自由端，將直接頂、巷旁充填體和實體煤幫的支撐結(jié)構(gòu)簡化為直接頂穩(wěn)定性力學(xué)分析模型，并進行如下步驟求解直接頂支撐力：

8、s3.1、對直接頂力學(xué)模型受力分析：包括獲取直接頂上邊界承受關(guān)鍵塊b的反作用載荷fm、下邊界受到巷內(nèi)支護阻力fs、實體煤幫對直接頂提供的支撐應(yīng)力σy、巷旁支護阻力fd和冒落矸石對關(guān)鍵塊b提供的支撐應(yīng)力fg；

9、s3.2、推導(dǎo)和mo：和分別為fm、fs、σy、fd和fg對應(yīng)實體煤幫固支o點的作用力矩，mo為直接頂抗彎彎矩，和mo表達式為：

10、

11、式中，a為沿空留巷寬度；b為巷旁充填體寬度；γ為上覆巖層容重；h1為直接頂巖層厚度；σt為直接頂?shù)目估瓘姸龋?/p>

12、s3.3、進一步求解和fm：根據(jù)力矩平衡方程，推導(dǎo)得到如下公式：

13、

14、s4、建立關(guān)鍵塊b穩(wěn)定時的力學(xué)判據(jù)：在關(guān)鍵塊b處于旋轉(zhuǎn)時，兩側(cè)承受的水平推力相等，即滿足

15、tab＝tcb?(13)

16、關(guān)鍵塊a、關(guān)鍵塊c對關(guān)鍵塊b的咬合接觸長度s計算公式如下：

17、

18、式中，θ為關(guān)鍵塊b回轉(zhuǎn)下沉角度；

19、當(dāng)關(guān)鍵塊b受力在a點的總彎矩為0，即σma＝0時，水平推力tcb計算公式如下：

20、

21、式中，δ為關(guān)鍵塊b的旋轉(zhuǎn)下沉量；q為基本頂巖層承受的上部軟弱巖層傳遞載荷及其自重；

22、根據(jù)公式(12)、公式(13)和公式(14)聯(lián)立，得到水平推力tab計算公式如下：

23、

24、s5、判斷水平推力與剪力間大小：在關(guān)鍵塊b與關(guān)鍵塊c在鉸接處不發(fā)生擠壓型破壞時，具有如下表達式：

25、

26、式中，ψ為關(guān)鍵塊b與關(guān)鍵塊c之間的接觸摩擦系數(shù)；σc為關(guān)鍵塊b的抗壓強度；

27、當(dāng)水平推力與剪力間滿足式(17)判定條件時，巷旁充填體的支護阻力計算fd1公式如下：

28、

29、否則，巷旁充填體的支護阻力fd2計算公式如下：

30、

31、式中，為煤體和巖體分界面內(nèi)摩擦角；

32、s6、得到維持沿空留巷關(guān)鍵塊b穩(wěn)定對應(yīng)的巷旁充填體支護阻力計算公式為：

33、fdm2＝max(fd1,fd2)?(20)

34、s7、計算巷旁充填體強度σf，σf的計算公式如下：

35、

36、s8、根據(jù)式(19)、式(20)和式(21)繪制巷旁充填體支護阻力、強度與巷旁充填體寬度的關(guān)系曲線，根據(jù)關(guān)系曲線，擬合巷旁充填體強度σf與巷旁充填體寬度b，擬合曲線σf表達式為：

37、σf＝v-iln(b-o)，r2＝p?(22)

38、式中，v、i、o均為擬合系數(shù)；r2為相關(guān)系數(shù)；

39、s9、根據(jù)σf的擬合曲線，得到最小巷旁充填體寬度bmin，以及滿足最小巷旁充填體寬度bmin時最小巷旁充填體強度σmin。

40、在計算得到bmin和σmin后，現(xiàn)場施工時適當(dāng)對巷旁充填體寬度以及巷旁充填體強度進行增強，當(dāng)沿空留巷巷旁充填體寬度及支護達到σ0和b0時，能夠滿足沿空留巷要求，σ0與b0的表達式為：

41、b0＝k0bmin?(23)

42、σ0＝k0σmin?(24)

43、式中，k0為安全系數(shù)，且k0＞1；

44、s1中，關(guān)鍵塊b處于穩(wěn)定狀態(tài)時，處于支護結(jié)構(gòu)下方的沿空留巷圍巖變形較小，留巷圍巖結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定取決于關(guān)鍵塊b的穩(wěn)定性。

45、在s2.1中，工作面周期來壓步距l(xiāng)和頂板側(cè)向破斷長度l2的計算公式如下：

46、

47、式中，h為基本頂巖層厚度；rt為基本頂巖層抗拉強度；ls為工作面傾向長度。

48、在s2.2中，頂板斷裂位置及實體煤幫的支撐力σy和煤體彈塑性交界面極限平衡區(qū)寬度x0的計算公式如下：

49、

50、式中，hc為沿空留巷高度；c0為煤體與巖體分界面內(nèi)聚力；k為應(yīng)力集中系數(shù)；λ表示側(cè)壓系數(shù)；h為煤層埋藏深度；px為實體煤幫支護強度；α為煤層傾角。

51、本發(fā)明采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果：

52、1、通過建立沿空留巷力學(xué)模型，分析提出頂板結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定取決于關(guān)鍵塊b的穩(wěn)定性，巷旁充填體寬度及強度既要滿足防止關(guān)鍵塊b轉(zhuǎn)角較小時的滑落失穩(wěn)，又要滿足防止轉(zhuǎn)角增大時的擠壓變形失穩(wěn)；

53、2、便于相關(guān)從業(yè)人員快速計算巷旁充填體寬度及支護強度，準(zhǔn)確判斷巷旁充填體寬度及強度是否滿足留巷要求，保證沿空留巷頂板結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，避免出現(xiàn)沿空留巷頂板切落、片幫、底鼓、大變形和支護結(jié)構(gòu)失效等礦壓顯現(xiàn)現(xiàn)象，保證礦井的安全高效回采。